自適應光學波前校正試驗指導書

1、自適應光學波前校正實驗指導書實驗任務通過實驗學習自適應光學系統(tǒng)的基本原理、構(gòu)成、型式及應用領(lǐng)域。掌握哈 特曼-夏克波前傳感器的工作原理和使用方法，實現(xiàn)對波前相位的測量。掌握薄 膜變形鏡的工作原理和控制方法，實現(xiàn)對光學系統(tǒng)初始誤差的校正。實驗目的了解自適應光學系統(tǒng)的基本組成和工作原理。掌握哈特曼-夏克波前傳感器的工作原理和使用方法。掌握變形鏡的工作原理和控制方法。實驗要求運用哈特曼-夏克波前傳感器對變形鏡各個致動器的影響函數(shù)進行測量并記 錄測量結(jié)果。運用哈特曼-夏克波前傳感器測量光學系統(tǒng)初始誤差。根據(jù)測量的變形鏡影響函數(shù)和光學系統(tǒng)初始誤差計算出變形鏡補償該初始 誤差所需的電壓，然后控制變形鏡對誤

2、差進行補償。實驗設(shè)備光纖耦合激光光源(635nm)，37單元薄膜變形鏡，變形鏡控制箱，哈特曼- 夏克波前傳感器，成像探測器，控制計算機。準直透鏡，分光棱鏡，成像透鏡， 光闌，縮束系統(tǒng)，反射鏡等。實驗提示自適應光學系統(tǒng)原理及應用高分辨率成像是人類長期追求的目標，但傳統(tǒng)光學技術(shù)無法解決動態(tài)波前擾 動對像質(zhì)的影響問題。影響光學系統(tǒng)波前質(zhì)量的誤差源按時間頻率可以分為低頻 和高頻兩大類。屬低頻誤差的有：系統(tǒng)內(nèi)部誤差，溫度、重力變形及機械變形， 加工與裝配誤差等，這些誤差的頻帶通常低于0.1Hz。屬高頻誤差的有：外界空 氣熱影響，來自陣風的反射鏡變形，跟蹤誤差，大氣湍流及激光經(jīng)大氣時的熱暈 等，其帶寬的范

3、圍由1Hz至1000Hz。如何克服以上動態(tài)波前誤差的影響是光學 工作者不懈研究的課題。1953年，天文學家Babcock提出實時校正光束的動態(tài)畸變的概念和工作原 理。其核心是在光學系統(tǒng)中引入一個表面形狀可變的光學元件(波前校正器)和 一個波前誤差傳感器，用波前傳感器測量出不斷變化的波前誤差，根據(jù)測量結(jié)果 由控制系統(tǒng)控制波前校正器對波前誤差進行校正。如果這一過程足夠快，就可以 用不斷變化的波前校正量來校正不斷變化的動態(tài)波前誤差，這就是自適應光學的 基本思想。過去通常稱誤差補償帶寬小于0.1Hz的系統(tǒng)為主動光學系統(tǒng)，而補償 高頻誤差的系統(tǒng)為自適應光學系統(tǒng)。但是這兩類系統(tǒng)在理論和技術(shù)上是基本相同 的

4、，所以目前大部分學者已經(jīng)把這兩者合為自適應光學范疇進行討論。一個典型的自適應光學系統(tǒng)如圖1所示。由光源（例如一顆恒星）發(fā)出的 光波經(jīng)過長距離傳播后可近似為理想平面波，受擾動介質(zhì)（如大氣湍流）的影響， 理想平面波變?yōu)殡S時間和空間都不斷變化的畸變波前，自適應光學系統(tǒng)利用波前 傳感器（如哈特曼-夏克波前傳感器）探測波前相位信息，然后波前控制器在極 短的時間內(nèi)分析由波前傳感器采集的數(shù)據(jù)并計算出波前校正器（如變形鏡）補償 該波前畸變所需的校正電壓，隨后通過驅(qū)動波前校正器對畸變波前進行補償修 正，從而重新獲得理想的平面波前，最終在成像系統(tǒng)的焦面上得到一個清晰的像。 光源圖1自適應光系統(tǒng)原理圖自適應光學系統(tǒng)

5、的原理并不復雜，但要付諸實施卻不容易，這是由動態(tài)波前 誤差的特性決定的。動態(tài)波前誤差是一個空間一時間變量，其時間一空間特性決 定了對自適應光學系統(tǒng)的高要求，即波前探測器和波前校正器的基本單元的尺度 要與波前誤差的空間尺度相匹配，控制系統(tǒng)的響應時間要小于波前誤差變化的時 間尺度，而控制的精度要達到波長的十分之一左右。由于要求控制回路多、速度 快、精度高，決定了自適應光學系統(tǒng)的復雜性和高難度。自適應光學發(fā)展的早期主要致力于發(fā)展專用元器件，如各種波前校正器和波 前傳感器等，同時也進行了一些理論算法的研究和系統(tǒng)預研。到上世紀七、八十 年代，隨著光電技術(shù)及電子計算機等諸多高新技術(shù)的發(fā)展和應用，自適應光學

6、才 開始進入實用研究階段。九十年代以后，自適應光學技術(shù)開始大量應用在天文和 軍事領(lǐng)域，使得光學觀測能力達到接近衍射極限的水平。同時，隨著自適應光學 的發(fā)展和理論的完善，自適應光學系統(tǒng)還被應用于激光、通訊、遙感、醫(yī)療等多 個領(lǐng)域中。發(fā)展自適應光學的原動力主要來自天文觀測和軍事上的需要。1982年世界 上第一臺實用化的天文觀測自適應光學望遠鏡被安裝在美國夏威夷的 Maui島 上，用于美國空軍探測基地進行空間觀測。該系統(tǒng)工作于可見光波段，探測靈敏 度達到7等星。1987-1990年，歐洲南方天文臺（ESO）在法國空間研究院和 Laserdot公司的協(xié)助下，開展了被稱為COME-ON的自適應光學系統(tǒng)的

7、研制工作。 該系統(tǒng)采用雙波長工作，利用哈特曼-夏克傳感器在可見光區(qū)域測量波前誤差， 在近紅外波段校正波前誤差和進行紅外觀測；系統(tǒng)采用19單元變形鏡，帶寬為 9Hz。這一系統(tǒng)相繼于1989年在法國浩特（Haute）省天文臺的1.5m望遠鏡上和 1990年在智利拉一西拉（La-Sila）的ESO3.6m望遠鏡上試驗成功。這是自適應 光學系統(tǒng)首次在天文觀測上得到應用，被認為是天文觀測技術(shù)發(fā)展的里程碑。目 前世界上多數(shù)大型地基天文望遠鏡都已經(jīng)采納或計劃安裝自適應光學系統(tǒng)來改 善像質(zhì)。軍事應用方面，1991年美國用LACE衛(wèi)星試驗SWAT計劃成功，達到60cm 口徑接近衍射極限分辨率的水平，并成功同時運

8、用了合作信標和激光瑞利導星信 標兩種工作方式。美國的KH-12系列偵察衛(wèi)星采用自適應光學技術(shù)實現(xiàn)了 0.1m 的超高分辨率。2001年美國在“白沙”靶場成功將萬瓦級車載固體戰(zhàn)術(shù)激光武 器系統(tǒng)用于導彈攔截試驗，并用自適應光學系統(tǒng)對大氣引起的波前畸變進行了補 償。我國對自適應光學的研究起步于1979年，主要研究單位有中科院成都光電 技術(shù)研究所、北京理工大學、中科院安徽光機所、南京紫金山天文臺等。以成都 光電技術(shù)研究所為代表，目前已獨立自主地成功研制了多套自適應光學系統(tǒng)，取 得了令人矚目的成就，研究水平處于世界先進地位。中科院成都光電技術(shù)研究所 在1985年建立了國際上第一套用于激光核聚變裝置的校正

9、激光波前誤差的自適 應光學系統(tǒng)；1990年研制的21單元自適應光學系統(tǒng)與云南天文臺1.2米望遠鏡 對接，實現(xiàn)了對星體觀測的全程大氣湍流校正，獲得了分辨雙星的清晰照片，使 我國成為繼美國和德國之后第三個實現(xiàn)大氣湍流校正的國家；1997年將自適應 光學系統(tǒng)和精密跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)了對動態(tài)目標0.1”0.15”的跟蹤精度； 1998年12月紅外自適應光學系統(tǒng)在北京天文臺2.16米望遠鏡上成功應用，實現(xiàn) 了紅外波段大氣湍流校正；2000年研制了視網(wǎng)膜高分辨率觀測用的自適應光學 系統(tǒng)，在世界上第二個獲得活體人眼視覺細胞實時成像。2002年成都光電所與 南京大學合作，研制了國內(nèi)首套太陽觀測傾斜校正自適應

10、光學系統(tǒng)，使我國成為 國際上少數(shù)幾個擁有自適應光學太陽望遠鏡的國家之一。北京理工大學于1996 年出版了國內(nèi)第一部自適應光學專著；2000年研制成功微小型自適應光學系統(tǒng)， 可用于改善空間光學遙感器光學像質(zhì)及用于校正畸變激光束波面，該成果入選我 國高科技發(fā)展計劃（863計劃）十五周年成果展。我國于1997年開始實施 LAMOST望遠鏡（大天區(qū)面積多目標光纖光譜望遠鏡）計劃，該望遠鏡采用自 適應光學技術(shù)控制主鏡分塊鏡面的拼接和非球面面形的校正。2008年10月， LAMOST望遠鏡正式竣工，成為世界上光譜獲取率最高的望遠鏡。傳統(tǒng)的自適應光學系統(tǒng)比較復雜，成本也很高昂，因此只能在一些大型的光 學系統(tǒng)

11、中應用，難以普及。目前自適應光學系統(tǒng)正在向微型化、集成化和民用領(lǐng) 域發(fā)展。一方面自適應光學系統(tǒng)正在被簡化，如采用無波前傳感器的校正系統(tǒng)。 另一方面，性能好且造價低廉的新型波前校正器也開始進入實用階段。2008年， 美國研制完成4096單元連續(xù)表面MEMS變形鏡，動態(tài)范圍可達4m帶寬達 2.5KHz。MEMS變形鏡具有低成本、低功耗、體積小、校正單元多的特點，為 自適應光學開辟了新的應用方向。哈特曼-夏克波前傳感器原理及變形鏡影響函數(shù)測量哈特曼-夏克（H-S）傳感器由微透鏡陣列和探測器組成，每個微透鏡對應探 測器上的一個子探測區(qū)。當以參考波前（近似平面波）入射到微透鏡陣列時，在 探測上形成近似等

12、間距排列的光斑陣列，此時記下光斑質(zhì)心位置作為參考。當以畸變波前入射時，每個子透鏡對應的光斑質(zhì)心位置相對參考光斑可能產(chǎn)生X和Y 兩個方向的移動，移動量即對應于畸變波前在子孔徑內(nèi)的平均斜率。在獲得畸變 波前在子孔徑內(nèi)的平均斜率后，通過波前重構(gòu)算法（模式法或區(qū)域法）即可獲得 波前相位。圖2哈特曼-夏克波前傳感器原理圖本實驗采用的Imagine-Optics公司的哈特曼-夏克波前傳感器微透鏡陣列數(shù) 為76*100，測量精度可達A/1Q0在利用變形反射鏡產(chǎn)生所需的波前之前，需要首先利用哈特曼夏克波前傳 感器對變形反射鏡的影響函數(shù)進行測試。影響函數(shù)即變形鏡的某個致動器施加單 位電壓時的形變。依次給變形鏡的

13、每個致動器加電壓并利用哈特曼-夏克波前傳 感器測量影響函數(shù)，最后可以得到影響函數(shù)矩陣。薄膜變形鏡工作原理和控制方法薄膜變形鏡（圖4）是利用分布式電極對薄膜的靜電吸引作用來實現(xiàn)對薄膜 面形的控制，具有體積小、重量輕、價格低的優(yōu)點，工作頻率可達500Hz以上。 由于電極與薄膜間僅有引力，沒有斥力，薄膜變形鏡工作時的零位，應為最大形 變量一半處的離焦面。另外，薄膜變形鏡的面形與電壓間為“平方線性疊加關(guān)系”， 即，單電極產(chǎn)生的形變量與電壓平方成正比，多電極產(chǎn)生的形變量等于各電極單 獨作用時所產(chǎn)生形變量之和。圖 4 薄膜變形鏡圖5 OKO公司37單元薄膜變形鏡本實驗所用的37單元薄膜變形鏡如圖5所示。3

14、7單元變形鏡的控制電壓由 PCI接口的24路8位數(shù)模轉(zhuǎn)換卡產(chǎn)生，經(jīng)放大倍數(shù)為58倍的高壓放大器放大后 輸出到變形鏡。假設(shè)變形鏡有N個致動器，第n個致動器施加單位電壓所產(chǎn)生面形為Yn (x,y),稱為該致動器的影響函數(shù)。變形鏡面形W(x,y)與致動器電壓Vn間關(guān) 系可表示為：w3,J)二丈 vy3,J)(1)n=0假如變形鏡面形的采樣點數(shù)為M個，采樣點坐標為(xm,ym), m=1M, M 個點處的高度值為y(xm,ym)，則可以列出變形鏡面形方程組如下： w (x , j )=叮(x , j ) + 3 (x , j ) + + v j (x , j )1 1 11112 2 11N N 1

15、1 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark32 o Current Document w(x , j ) = v j (x , j ) + v j (x , j ) + + v j (x , j )/c、2 21 1 2 22222 N N 2 2(2): w (x , j ) = v j (x , j ) + v j (x , j ) + + v j (x , j )v M M 1 1 M M 2 2 M MN N M M該式可簡寫為：W=YV(3)式中，W為變形鏡面形的一維矩陣表達，V為電壓矩陣，Y為影響函數(shù)矩陣。變形反射鏡面形取決于各致動器所施加的電壓，因此

16、，變形反射鏡控制問題 的核心，是根據(jù)所需面形求取各致動器驅(qū)動電壓。用廣義逆矩陣的方法求解線性 方程組即可得到變形鏡的控制電壓：V=Y+W(4)式中，V為求得的控制電壓向量，W為希望產(chǎn)生的面形，Y+為影響函數(shù)矩陣Y 的廣義逆矩陣，也即控制矩陣。利用變形鏡校正光學系統(tǒng)初始誤差自適應光學系統(tǒng)搭建完成后，由于光學元件存在像差，特別是變形鏡的初始 面形誤差可能較大，因此需要用變形鏡對系統(tǒng)的初始誤差進行校正。本實驗采用 的自適應光學系統(tǒng)光路如圖6所示。點目標發(fā)出的光被準直透鏡L1準直后形成 平行光束入射到變形鏡，變形鏡的發(fā)射光波一路經(jīng)縮束系統(tǒng)后進入哈特曼-夏克 波前傳感器，一路經(jīng)成像透鏡后聚焦于CCD相機靶面。圖6自適應光學系統(tǒng)光路實驗步驟：（1）用哈特曼-夏克波前傳感器測量變形鏡各個致動器的影響函數(shù)，計算出影 響函數(shù)矩陣和控制矩陣。（2）用哈特曼-夏克波前傳感器測量光學系統(tǒng)的波前誤差并將